5 minute read
Laser od titanovog safira veličine čipa osvjetljava budućnost
Istraživači sa Sveučilišta Stanford načinili su prvi praktični laser od titanovog safira na čipu u svijetu. To im je uspjelo samo s jednim preskokom sa stolne razine na mikrorazinu. S tim rezultatom su demokratizirali nekada ekskluzivnu tehnologiju sa smanjivanjem troškova i površine za tri razreda veličine te uveli poluvodičko širokopojasno pojačavanje svjetlosti submikronskih valnih duljina.
Za lasere od titanovog safira (Ti:safir) vrijedi da imaju neusporedive performanse. Neizostavni su na brojnim područjima, uključujući najsuvremeniju kvantnu optiku, spektroskopiju i neuroznanost. Međutim te performanse imaju visoku cijenu. Ti:safirni laseri su veliki, njihov volumen iznosi približno kubični metar. Niti troškovni zalogaj nije zanemariv, jer svaki košta više stotina tisuća eura. Za njihovo djelovanje je potrebno osigurati dovoljno energije s drugim visokoučinkovitim laserima, od kojih svaki košta više od 25.000 eura.
Zato Ti:safirni laseri do sada nikada nisu dosegli široku i stvarnu primjenu, koju su zaslužili. Inženjeri sa Stanforda su s dramatičnim skokom u opsegu, učinkovitosti i cijeni izradili laser od Ti:safira na čipu. Prototip je za četiri razreda veličine manji (10.000 puta) i za tri reda veličine jeftiniji (1.000 puta) od svih do sada načinjenih Ti:safirnih lasera.
»To je potpuni odmak od starog modela,« rekla je dr. Jelena Vučković, profesorica za globalno vođenje u Jensen Huang, profesorica elektrotehnike i glavna autorica članka s predstavljanjem Ti:safirnog lasera na čipu, objavljenog u časopisu Nature. »Umjesto jednog velikog i skupog lasera, svaki laboratorij će uskoro imati na stotine tih dragocjenih lasera na samo jednom čipu. I sve možete napajati sa zelenim laserskim pointerom,« rekla je glavna voditeljica laboratorija za nanometarsku i kvantnu fotoniku laboratoriju Ginzton.
Usredotočenost znanstvenika na korisnost i primjenjivost
»Kada preskočiš sa stolne veličine i načiniš nešto, što je moguće izraditi na čipu po tako niskoj cijeni, ti su učinkoviti laseri dostupni za mnogo različitih važnih aplikacija,« pojasnio je Joshua Yang, doktor u laboratoriju dr. Vučković i koautor studije zajedno s kolegama iz Laboratorija za nano-razinu i kvantnu fotoniku na Stanfordu.
U tehničkom smislu su Ti:safirni laseri vrlo dragocjeni, jer imaju među svim laserskim kristalima najveći »prirast pojasne širine«, dodao je Yang. Jednostavno rečeno, prirast pojasne širine predstavlja širi raspon boje koju laser proizvode u usporedbi s drugim laserima. Također je ultrabrz, nastavlja Yang. »Svjetlosni impulsi se pokreću svake kvadrilijuntinke sekunde.« Međutim, je Ti:safir lasere je ujedno i teško dobiti. Čak i laboratorij dr. Vučković, koji izvodi vrhunske pokuse na području kvantne optike, ima na raspolaganju svega nekoliko tih dragocjenih lasera. Novi Ti:safirni laser je postavljen na čipu, koji ima dimenzije reda veličine nekoliko kvadratnih milimetara. Ako bi ih istraživači mogli masovno proizvoditi na pločicama, biti će moguće na tisuće, možda i desetke tisuća Ti:safirnih lasera otisnuti na pločicu, koja odgovara ljudskom dlanu. »Čip je lagan. Prenosiv je. Jeftin je i učinkovit. Nema pokretnih dijelova. I moguće ga je masovno proizvoditi,« nanizao je prednosti glavni autor znanstvenog članka Yang. Pri izradi novog lasera istraživači su počeli s debelim slojem titanovog safira na platformi od silicijevog oksida, koja je biča na vrhu pravog safirnog kristala. Zatim su Ti:safir samljeli, jetkali i polirali do iznimno tankog sloja, debelog svega nekoliko stotina nanometara. U taj tanki sloj zatim upišu zavojnicu sitnih grebena. Ti grebena su kao optički kabeli, koji usmjeravaju svjetlost uokolo te povećavaju njenu intenzivnost. Uzorak podsjeća na valovod.
»Matematički gledano intenzivnost je snaga, podijeljena s površinom. Ukoliko dakle zadržim istu snagu kao i kod velikog lasera, no smanjimo mu površinu na koju je ta snaga koncentrirana, intenzivnost je povećana,« pojasnio je Yang i nastavio, da male dimenzije u stvari pomažu da je laser učinkovitiji. Preostali dio slagalice je grijač u mikro dimenzijama, koji zagrijava svjetlost koja putuje kroz valovode, što timu dr. Vučković omogućuje mijenjanje valne duljine predane svjetlosti, kako bi prilagodili boju svjetlosti između 700 i 1000 nanometara – od crvene do infracrvene.
Uskoro na tržištu?
Dr. Vučković, Yang i suradnici su najviše oduševljeni s nizom područja, na koje bi takav laser mogao imati utjecaj. U kvantnoj fizici novi laser predstavlja jeftino i praktično rješenje, koji bi moglo bitno smanjiti opseg najsuvremenijih kvantnih računala. Na području neuroznanosti istraživači mogu odmah predvidjeti primjenu u optogenetici, području koje znanstvenicima omogućuje kontrolu neurona s pomoću svjetlosti, koju u mozak vodi relativno opsežno optičko vlakno. Tvrde, da bi male lasere mogli ugraditi u kompaktnije sonde, što bi otvorilo nove mogućnosti za eksperimente. U oftalmologiji bi mogli naći novu primjenu za rješenje ojačavanja žičanim impulsima u laserskoj kirurgiji nagrađenim Nobelovom nagradom ili ponuditi jeftinije i kompaktnije tehnologije optičke koherentne tomografije, koje se primjenjuju za procjenu zdravlja mrežnice.
Tim istraživača također nastoji usavršiti svoj Ti:safirni laser na razini čipova i za načine, kako ih masovno proizvoditi na tisuće odjednom na pločicama. Yang je u ljeto ove godine na temelju tih istraživanja i doktorirao. Pored toga, doktor Yang sa Stanforda doprinosi uspješnom uvođenju tehnologije na tržište. »Na samo jednu 4-inčnu pločicu možemo ugraditi na tisuće lasera,« dodao je Yang. »U tom slučaju je trošak lasera gotovo zanemariv. To je vrlo uzbudljivo.«
